地铁隧道结构灾变模型及应用研究*

2018-07-12傅鹤林尹光明张加兵

灾害学 2018年3期

黄　震，傅鹤林，尹光明，王　慧，张加兵，史　越

(1.中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075；2.长沙市轨道交通集团有限公司，湖南长沙 410133)

地铁多为地下结构工程，通常穿梭于城市复杂水文地质环境中，邻近城市重要构筑物，且容易受到施工扰动、水文地质条件变化及人类活动等影响[1]。一旦运营地铁隧道结构受到众多潜在致险因子作用而引起结构灾害事故，其带来的经济损失和社会负面影响巨大，且不利于社会稳定和经济发展。因此，开展运营地铁隧道结构灾变机制及减灾措施的研究对确保地铁运营安全和指导隧道结构安全维护是非常必要的。

目前，关于隧道相关灾变机制的研究已有报道，并取得了一系列有价值的研究成果。张成平等[2]基于理论分析和数值计算方法，揭示了城市隧道施工诱发地面塌陷的灾变机制及其演化规律。李利平[3]基于非线性突变理论，分析了岩溶隧道突水的灾变演化过程及其力学机理，并提出了岩溶隧道突水防治技术体系。马士伟[4]则利用薄板理论和剪切破坏理论研究了岩溶隧道涌突水地质灾害发生机理和过程特征。郑刚等[5]针对盾构隧道在施工和运营过程中发生漏水引发的灾害问题，采用考虑应力-孔压耦合的有限差分方法分析了盾构隧道不同位置发生漏水对于土体及隧道变形的影响，但缺乏对灾害形成演化过程的研究。上述研究多数是针对施工隧道和岩溶隧道的单类灾害展开的研究，对运营地铁隧道结构的灾变演化规律及灾变特征的研究鲜有报道，且缺乏对隧道灾害因果关系、链式发生机理的研究。

基于此，本文以运营地铁隧道结构为研究对象，结合灾变链式理论，建立运营地铁隧道结构灾变链式理论模型，分析运营地铁隧道结构灾变机制与特征，探讨不同灾变阶段的减灾机制，并结合某运营地铁隧道实际情况，提出依据断链减灾原理的减灾技术措施。研究成果对于探索运营地铁隧道结构减灾关键技术具有重大的理价值论和现实意义。

1　灾变链式理论

灾害链就是将各类灾害抽象为具有载体共性特征，以描述灾害之间作用的物化流信息过程，最终导致灾害形成的各种连锁关系的总称[6]。城市地铁隧道结构灾害链的动态演化过程是指在孕险环境影响下，致险因子对隧道结构灾害链系统作用，引起隧道结构安全行为的改变(或系统对外破坏)，这一过程主要体现了灾害链内部要素状态集合及作用关系的改变。图1为t时刻灾害链示意图[6]。

图1　t时刻灾害链

在t时刻，环境E对灾害链的输入I(t)，引发了灾害链内要素SGi(n)的状态Si(t)发生改变，同时SGi(n)作为其他要素SGj(n)的外部环境，通过两者之间的作用因子Ri,j(t)，导致要素SGj(n)的状态Sj(t)发生变化，依次向下连锁反应，最终引起灾害链对外的表现行为Hz(t)，如图1所示，恒存在以下数学关系：

φ1(Es,I(t),Rz(t))=0；

(1)

φ2(Es,Rz(t),Sz(t))=0；

(2)

φ3(Es,Rz(t),Hz(t))=0。

(3)

式中：E为灾害链系统所处的环境，Es为环境E的状态；I(t)为t时刻外部环境对灾害链的输入关系；Sz(t)为灾害链在t时刻的状态；SGi(n)、SGj(n)为灾害链内要素，i、j表示灾害链内要素编号(i=1,2,…,n;n≥1)；Si(t)和Sj(t)分别表示第i和第j个要素在t时刻的状态；Rij(t)表示t时刻灾害链内要素SGi(n)与SGj(n)的作用因子，Rz(t)

则为t时刻灾害链系统中所有要素的作用因子的集合，即为灾害链系统结构；Sin为灾害链系统内部状态；Hz(t)为t时刻灾害链对外的表现行为。

2　地铁隧道结构灾变链式模型

2.1　地铁隧道结构灾害链

城市地铁隧道服役于城市复杂多变的环境中，其结构受到致险因子的作用，并随时空演化性能逐步劣化，最终危及列车运行安全和地铁周边环境安全。这一变化过程可用灾变链式理论来描述，即孕险环境的存在，致险因子通过不同方式作用于隧道结构，引起隧道结构病害，这些病害以单一或者耦合、转化、合成等形式进行演化，直至隧道结构失效，引发安全事故。其中水文地质条件、周边施工环境、隧道建设期环境、隧道运营管理以及社会环境等构成了隧道结构灾害链的孕险环境；地质活动、地下水活动、地层沉陷、施工缺陷、外界扰动、人类活动、恶劣气候以及运营管理疏忽等构成了隧道结构灾害链的致险因子。隧道结构为承载体，结构病害为隧道结构灾害链中的灾害要素，隧道结构内部的能量变换是灾害要素间的作用关系，包括渗漏水与结构材质劣化关系、裂缝与混凝土脱落关系等。地铁隧道结构灾害链也是一个能量传递、转化、聚集与释放的过程，最终在隧道结构上表现为不同的安全行为输出。运营地铁隧道结构灾害链式整体结构如图2所示。

图2　地铁隧道结构灾害链式整体结构

图3　盾构隧道结构灾害要素间的作用关系

为了明确灾害链中各灾害要素间的作用关系，以地铁盾构隧道结构裂缝、混凝土剥落、渗漏水、结构变形、螺栓锈蚀灾害要素为例，采用网络关系图形式阐述之间的相互作用关系，如图3所示。从图3中可以看出，在受到外界致险因子的作用下，隧道结构内部的灾害要素之间形成相互转化，相互耦合，相互促进的现象，形成较为复杂的灾害网络传播过程。

2.2　构建隧道结构灾变模型

图2中所描述的地铁隧道结构灾害链的各个要素及关系结构均满足灾害链的共性特征。因此，基于灾变链式理论，可构建隧道结构灾害链式数学模型如下：

Zin=λ1(H,R)；

(4)

Tout=λ3(H,R)；

(6)

S=λ2(H,R)。

(5)

式中：H为结构灾害链所处孕险环境的集合；Zin为致险因子对隧道结构的作用关系集合；R为隧道结构灾害链内的灾害要素；S为隧道结构灾害链内各灾害要素所处的状态；Tout为灾害链对外的输出行为，包括结构失效所引起的列车安全事故、隧道结构坍塌、地面下沉及人员伤亡等。

城市地铁隧道结构灾害与孕险环境因素并存，无法从根本上消除隧道结构灾害链。因而隧道结构灾害链的状态随时间而演化，其演化过程可分为孕险阶段、潜伏阶段、爆发阶段。每一阶段随时间的动态演化过程可表述为如下：

(7)

(8)

(9)

3　地铁隧道结构灾变特征与减灾机制

3.1　地铁隧道结构灾变特征

3.1.1因果关系

运营地铁隧道结构灾害链具有因果关系特征。原因与结果环环相扣，上级灾害的产生引起下级灾害的出现。因此，为防止下一级灾害的产生，需要对上一级灾害进行控制和消除，尽早切断灾害链，防止隧道结构安全事故的进一步扩大化。

3.1.2渐变性与突变性

运营地铁隧道结构灾害链的演变过程渐变性与突变性共存。地铁隧道结构在复杂的致灾环境中及致险因子的作用下，隧道结构发生损伤，主要以裂缝、变形、混凝土剥落、渗漏水以及材质劣化等形式反映出来，随着损伤逐渐累积，灾害演变过程呈现渐变性。由于结构自身平衡能力限制，经过一段时间的损伤积累，在致险因子的持续作用下，结构瞬间失效，灾害演变过程呈现出突变性。

3.1.3灾害蔓延性

运营地铁隧道结构灾害具有较强的蔓延性。地铁通常穿梭于城市繁华区，毗邻地面重要建筑物、道路与桥梁、地下管线及江河湖泊等。因此，地铁隧道结构的破坏，轻则引起地面沉降变形、列车限速运行，重则导致道路塌陷、建筑物开裂、地下管线破坏、地表水倒灌、隧道结构坍塌等重大安全事故，危及人们财产安全，造成社会影响。因此，隧道结构灾害事故具有从结构自身到外部环境和社会环境的蔓延过程。

3.2　地铁隧道结构减灾机制

隧道结构安全行为链的断链是指通过采取相应的工程技术、管理、经济等措施来改变灾害链各阶段的状态以达到阻断或者延缓安全行为链的演化，控制结构安全行为的输出状态在可接受范围内。不同演化阶段，其链式结构中的要素状态及作用关系的特征不同，因而断链机制也不同。

3.2.1孕险阶段断链机制

当隧道结构灾害链处于孕险阶段，主要表现为外界环境致使灾害因子的激发过程。此时结构灾害链中的灾害要素及他们之间的作用关系即将发生改变并向潜伏阶段演化。由式(7)～式(9)可知，该阶段满足要求的解为：

(10)

由式(10)可知，满足该解的情况下，隧道结构灾害链状态、致险因子的作用、灾害链的对外输出不随时间而改变。

孕险阶段，地铁隧道结构灾变不易察觉，对结构产生的损伤破坏能力较弱，产生破坏的能量处于初始聚集阶段，此时，该阶段的断链机制为减少灾害致险因子的存在及阻断致灾因子对隧道结构的输入行为。根据运营地铁隧道结构孕险阶段诱发致险因子的致险环境，从勘察、设计、施工、技术、运营和外部环境等方面采取致险环境减灾断链措施阻断致险因子的形成。

(1)建设期管理措施：对地铁隧道周边水文地质条件勘察详细，防止地铁隧道施工过程中因水文地质因素的影响产生施工质量缺陷。科学合理的设计地铁线路，并针对地铁隧道所处的水文地质、外部荷载环境设计合理的隧道防水及结构形式。隧道施工方法、施工质量控制及隧道验收标准应该严格执行规范要求，避免偷工减料，确保隧道结构自身质量及承载能力符合设计要求。

(2)运营管理措施：地铁运营期间，应该随时掌握隧道周边自然环境、施工扰动环境及社会环境，对不利于隧道结构安全的影响因素进行排查，及时制止外部施工扰动及地面超载等对地铁隧道结构产生的不利行为，并做好相应记录。采取定期巡查的方式对地铁隧道结构内部情况进行调查，及时发现隧道结构病害变化趋势，并找出相应原因。

(3)技术措施：建立隧道结构实时监测系统，动态监测结构变化；结合无损检测技术，探测结构内部损伤状况，提前采取预防措施。对地铁交叉线路施工及周边建筑基坑开挖，应该加强结构安全监控，及时反馈隧道结构变形信息。

3.2.2潜伏阶段断链机制

当隧道结构安全行为链处于潜伏阶段，即隧道结构已经存在结构病害情况，并持续向爆发阶段演变。由式(7)～式(9)可知，该阶段满足要求的解为：

(11)

由式(11)可知，该阶段的断链机制为消除或减少隧道结构灾害链内的灾害要素，即通过采取隧道结构病害修补及加固和减少隧道结构外部环境影响等方法，改善隧道结构安全行为链的灾害要素和致险因子对隧道结构的作用关系，以达到阻断结构安全行为链继续演化。

潜伏阶段，隧道结构灾害以结构病害的形式表现出来，这些结构病害的产生还未影响结构稳定性和运营安全，但需要采取维修加固等措施切断灾害要素之间的传递链来恢复结构性能。针对不同结构病害类型，统计了近年来的隧道结构加固维修一些新方法。Ahn等[7]开发了一个裂缝修补棒，是一种新的修复方法和自愈合材料，可以方便地修复混凝土结构中的细小裂缝。柳献等[8-9]针对隧道结构变形，提出了盾构隧道衬砌半环加固法和整环加固法，并认为半环加固法和整环加固法都能有效提高隧道的结构刚度及极限承载能力。李宇杰等[10]采用数值方法模拟了纤维布材料补强地铁隧道衬砌结构的效果，表明纤维布可以改善隧道拱顶的受力，增加结构的抗拉能力。注浆方法是盾构隧道渗漏水处理常用方法，Maeda等[11]介绍了一种新的隧道结构防水材料—改性聚脲，并对隧道衬砌进行了现场试验，验证了这种新型材料在城市隧道中的适用性。

3.2.3爆发阶段断链机制

当隧道结构安全行为链处于爆发阶段，隧道结构安全行为链开始对外产生输出行为。无论外界环境是否改变，隧道结构安全行为链持续对外输出，因此，该阶段满足要求的解为：

(12)

由式(12)表明，隧道结构灾害链对外输出，造成了损失。该阶段应该对隧道结构采取替换、加固以及重建等技术措施，以调整结构灾害链的内部要素之间的关系。

根据灾害输出的严重程度，隧道结构灾变结果可分为结构功能失效和结构状态失效。结构功能失效是指结构的变形值、沉降值、裂缝、错台量等指标超过地铁运营要求的限值；结构状态失效是指结构的状态发生改变，且对周边环境造成严重影响，例如衬砌局部坍塌引起地面塌陷和结构物开裂。因此，针对结构功能失效的减灾断链措施主要是采取技术措施防止结构功能失效指标的进一步扩大化，并对结构功能进行再恢复，例如对变形严重衬砌进行更换、注浆控制错台量、开裂处钢圈或碳纤维布局部加固等。对于结构状态失效这类灾害事故，应该对灾害事故周边进行人员疏导，启动应急管理预案，加强周边构筑物的监测，防止灾害继续蔓延，引发其他事故。

4　工程应用

4.1　工程现状

某市地铁2号线一期工程于2009年开工建设，主要采用盾构法施工。2013年底试运行，连接城市“一主、两次”，是该市轨道交通东西向的核心线路，对应于该市东西向客流量最大、公交压力最大的交通走廊。该地铁运营以来，局部区间段隧道结构出现病害，其中渗漏水、混凝土剥落、管片错位是该地铁盾构隧道结构常见的病害。

渗漏水主要发生于管片间接缝(横缝和纵缝)、螺栓孔、注浆孔、道床以及车站与盾构隧道连接部位，如图4所示。

管片混凝土剥落主要集中于拱顶，其次是拱肩，拱腰，剥落均发生在管片拼缝边缘以及边角部位。剥落面积大小及剥落深度的分布如图5～图6所示，从图5～图6中可知，剥落面积集中在0.05 m2以下，剥落深度分布从多到少呈三挡，分别为0～6 cm，6～10 cm，>10 cm。

图4　渗漏水病害主要部位

图5　剥落面积大小分布图

图6　剥落深度分布图

管片错位方向主要表现为竖向和横向，对部分区间段管片错位量分布进行统计，结果如图7所示。从图7中可看出，管片错位量以20 mm为界，大部分错位量落在20 mm以下。受管片错位的影响，橡胶止水带搭接不严密，在地下水压力作用下管片接缝处容易产生渗漏水。

图7　管片错位分布图

4.2　断链减灾机制应用

隧道结构病害的检测结果表明该地铁隧道结构能够满足正常地铁运营要求，但根据隧道结构灾害链式机理，该地铁隧道结构灾害链的致灾因子已经形成，且该地铁隧道结构灾变演化阶段处于孕险阶段和潜伏阶段之间。因此，其断链减灾的工程措施可以依据孕险阶段断链机制和潜伏阶段断链机制提出。首先，找到致灾因子，并对其进行控制，切断灾害链中的致灾因子对隧道结构灾害要素的输入，其次，采取相应的结构维修加固等技术措施，消除和减少灾害要素，以阻断灾害要素之间的关系结构。

以某区间段左线为例，该区间段隧道结构病害产生部位如图8所示。通过隧道周边环境调查及施工资料查阅，分析隧道结构产生病害的致险因子，结果如图9所示。